Wirbelstrom

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Der Wirbelstrom ist ein in einem verlängerten Elektroleiter in einem temporär wechselnden magnetischen Feld oder in einem beweglichen Stromleiter in einem temporär gleichbleibenden, aber rauminhomogenen magnetischen Feld induzierter Stroms. Die Bezeichnung wurde deshalb ausgewählt, weil die Induktionslinien wie Strudel verschlossen sind. Die Wirbelströme wiederum generieren ein magnetisches Feld, das der Feldveränderung nach der Lenz'schen Regelung gegenübersteht.

Hierdurch wird der elektrische Anschluss bei hoher Frequenz und großen Leitungsquerschnitten aus der Leitermitte verschoben (Skin-Effekt). Besitzt der Stromleiter einen begrenzten spezifischen Stromwiderstand, heizt er sich auf. Diese Wirbelstromverluste entsprechen einer um 90° phasenverschobenen Strom-Spannung in der Erregerspule bei zeitlicher Änderung des Magnetfelds oder bei relativer Bewegung zwischen Magnetfeld und Leitung einer Bremskraft.

Der Kraftverlauf verläuft geradlinig, die Leistungsabgabe im Quadrat mit der Häufigkeit oder der Drehzahl, soweit der Skin-Effekt zu vernachlässigen ist. Besonders die Kräfte verschwinden, wenn die relative Feldgeschwindigkeit zwischen Magnetfeld und Leitung Null wird. Wirbelstromprüfungen dienen der nichtzerstörenden Werkstoffprüfung und -charakterisierung und basieren auf der Erfassung der Wirbelstromamplitude und -phasen.

Der Abschirmeffekt von nichtferromagnetischen Metallgehäusen gegen Magnetwechselfelder basiert auf dem Wirbelstrom im Einbauraum. Es ist gut, wenn die Wirbelsäule nur wenig durch den spezifischen Strom dämpft wird. Die Abschwächung der Strömungen bewirkt eine Phasendrehung gegenüber dem Erzeugungsfeld. Eine Kurzschlusswicklung um den Spaltpol bewirkt im Spaltpol-Motor ein zeitlich versetztes Halbbild über das Grundfeld und damit ein Drehschalter.

Streng genommen ist der Kurzschlussstrom in der Kurzschlussspule kein Wirbelstrom, da sein Verlauf durch die Leiterform bestimmt wird. Durch ein rapide ansteigendes ungleichmäßiges magnetisches Feld werden verschlossene gute Leitungen abgewiesen. Diese Bremskraft zwischen einem beweglichen Schließleiter und einem magnetischen Feld wird in der Wirbelsäule von Schienenfahrzeugen, in Freifalltürmen, Fahrradergometern und zur Schwingungsdämpfung in Rastertunnelmikroskopen und Drehspulbewegungen eingesetzt.

Selbst wenn sich das magnetische Feld relativ zum Stromleiter verschiebt, wird eine Krafteinwirkung erzeugt und der Stromleiter kann mitgerissen werden. Hier ist die Krafteinwirkung ebenfalls der Differenzdrehzahl proportionell. Wirbelstromscheider funktionieren ähnlich und werden z.B. eingesetzt, um Aluminiumdosen oder -folien vom Abfall zu trennen. Wirbelströme haben bei den Ferraris-Elektrizitätszählern sowohl eine treibende als auch eine dämpfende Wirkung: Ein aus dem zu vermessenden elektrischen Feld geformtes Lauffeld treiben eine Aluscheibe an, deren Rotation durch einen Permanentmagnet kräftig unterdrückt wird.

Um Wirbelstromverlusten entgegenzuwirken (andere s. unter Eisenverluste), bestehen die Kerne von Trafos und Motoren nicht aus Vollmaterial, sondern aus "Blech". Bei den Paketen aus überwiegend emailliertem Elektroband sind diese so ausgerichtet, dass die eventuell großen Wirbelstrompfade durchbrochen werden ( "siehe Bild"); in den Einzelblechen können sich nur geringe Ströme bilden, ihre Verlustleistungen sind jedoch niedrig.

Die Leitungen für Hochleistungsöltransformatoren sind als Dreifachleiter (Möbeldraht) ausgebildet, die im Schnitt aus zwei benachbarten Stapel von Isolierflachdrähten gebildet werden (reduziert die Verluste an Wirbelstrom im Kupfer), die kontinuierlich gestapelt, vertauscht, d.h. nacheinander verdreht werden, was die Wicklungsflexibilität sicherstellt. Bei höherfrequenten Wechselströmen besteht der Stromleiter aus verschachtelten, galvanisch getrennten, parallelgeschalteten Einzeladern (HF-Litzen) zur Verhinderung von Stromverschiebungen (Skin-Effekt).

Wirbelstrom und Abschirmung in der Kommunikationstechnik.